《電子技術應用》
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基于EWT-ARIMA組合模型的銀杏液流預測與因子關聯分析*
電子技術應用
王子祥,李顏娥,武 斌,徐達宇,吳 斌
(1.浙江農林大學 數學與計算機學院,浙江 杭州 311300;2.浙江省林業智能監測與信息技術實驗室, 浙江 杭州 311300; 3.林業感知技術與智能裝備國家林業局重點實驗室, 浙江 杭州 311300)
摘要: 樹干液流速率由于受到外在環境因子與內在生長機理的綜合作用,往往呈現出非線性與高隨機的特點,單一的預測方法往往難以對其做出較為準確的預測。對此,提出引入經驗小波變換(EWT)方法,對非線性、高隨機的銀杏液流數據進行分解,得到兩組多分辨率分析分量,分別對分量采用統計模型ARIMA進行預測。根據真實數據實驗結果驗證,提出了EWT-ARIMA組合模型能夠較為準確地預測樹干液流的變化趨勢,模型評價指標MSE、MAE、MAPE、R2分別為11.05、2.488、0.1640、0.9599,相較單一ARIMA模型各項評價指標均有較大提升。此外,還利用傳遞熵(EWT),無模型假設地對時滯內環境因子與銀杏液流之間的因果關系進行了探討。
中圖分類號:TP391 文獻標志碼:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.233969
中文引用格式: 王子祥,李顏娥,武斌,等. 基于EWT-ARIMA組合模型的銀杏液流預測與因子關聯分析[J]. 電子技術應用,2023,49(10):89-95.
英文引用格式: Wang Zixiang,Li Yane,Wu Bin,et al. Ginkgo sap flow prediction based on EWT-ARIMA model and factor correlation analysis[J]. Application of Electronic Technique,2023,49(10):89-95.
Ginkgo sap flow prediction based on EWT-ARIMA model and factor correlation analysis
Wang Zixiang1,2,3,Li Yan’e1,2,3,Wu Bin1,Xu Dayu1,Wu Bin1
(1.College of Mathematics and Computer Science, Zhejiang A & F University, Hangzhou 311300, China; 2.Key Laboratory of Forestry Intelligent Monitoring and Information Technology of Zhejiang Province, Hangzhou 311300,China; 3.China Key Laboratory of State Forestry and Grassland Administration on Forestry Sensing Technology and Intelligent Equipment, Hangzhou 311300, China)
Abstract: Due to the comprehensive effect of environmental factors and growth mechanism, the sap flow often presents the characteristics of nonlinearity and high randomness, and it is often difficult to predict it accurately by a single prediction method. This paper proposes to introduce the empirical wavelet transform (EWT) method to decompose the nonlinear and highly random ginkgo sap flow data to obtain two sets of multi-resolution components, and the ARIMA model is used to predict the components respectively. According to the results, it is proposed that the EWT-ARIMA model can accurately predict the change trend of sap flow, and the model evaluation indicators MSE, MAE, MAPE, R2 are 11.05, 0.1640, 0.9599 and 0.9598, respectively, which are greatly improved compared with the single ARIMA model. In this paper, transfer entropy (TE) is also used to explore the causal reflection between environmental factors in time delay and ginkgo sap flow without model assumptions.
Key words : ginkgo sap flow prediction;empirical wavelet transform;ARIMA;transfer entropy;causal analysis

0 引言

進入二十一世紀,人類正面臨氣候惡化這一全球性問題。碳排放造成的全球變暖會對人類和生態系統造成影響嚴重且不可逆轉的危害[1],利用植物生態系這一巨大天然碳庫去實現固碳目標被認為是經濟有效的方法[2]。同時植物也是城市公園內固碳效益的主體,在常見的城市公園樹木中,銀杏的固碳能力明顯高于其他植物,屬于第一梯隊[3]。除此之外,銀杏還是一種的珍貴的中藥材和觀賞植物,具有廣泛的生態、經濟和社會價值[4-5]。為了生態環境的可持續發展,尋找一種準確評估樹木蒸騰耗水的穩健方法十分有必要[6],而植物蒸騰耗水量的99%以上來自莖干液流,精確測定莖干液流量能夠反映林木的蒸騰耗水量[7]。液流法也成為了近年來莖分和林分尺度蒸騰耗水研究的熱點方法[8]。

基于樹木液流的蒸騰評估,需要克服液流這類自然序列普遍存在的非線性與高隨機性。因此本文提出一種基于經驗小波變換(Empirical Wavelet Transform, EWT)和ARIMA(Auto Regressive Integrated Moving Average)組合的銀杏液流預測模型。銀杏液流序列先經過經驗小波分解,得到平穩的多分辨分析分量(Multi Resolution Analysis, MRA),針對各分量信號分別構建ARIMA模型進行預測并重構集成為目標預測信號,并與單一ARIMA模型進行對比分析。此外,有許多研究證明樹木液流與環境因子有著密切的關系。但以往的研究多采用線性分析工具,在理論上有局限性,因此本文借助無需模型假設的轉移熵(Transfer Entropy, TE)對環境因子和銀杏液流時滯內的因果關系進行了探究。



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作者信息:

王子祥1,2,3,李顏娥1,2,3,武斌1,徐達宇1,吳斌1

(1.浙江農林大學 數學與計算機學院,浙江 杭州 311300;2.浙江省林業智能監測與信息技術實驗室, 浙江 杭州 311300;3.林業感知技術與智能裝備國家林業局重點實驗室, 浙江 杭州 311300)


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